(57)【要約】【課題】本発明は、空間的及び時間的に離散した入力信号のみが入力可能なアクチュエータに入力すべく制御信号を変換する制御信号変換装置、並びに、空間的及び時間的に連続した制御信号に基づいて前記アクチュエータを駆動し制御目標値に制御する制御装置及び制御方法を提供する。【解決手段】本発明に係る、空間的及び時間的に離散した入力信号のみを受付け可能なアクチュエータ２を駆動し制御する制御装置１ａ、１ｂは、アクチュエータ２における、入力信号Ｓｄの受付け可能な時間間隔、入力信号Ｓｄの取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、空間的及び時間的に連続した制御信号Ｓｓを入力信号Ｓｄに変換してアクチュエータ２へ出力する制御信号変換部２０を備える。【選択図】図１
2007299347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間的及び時間的に離散した入力信号のみを受付け可能なアクチュエータと、該アクチュエータを駆動し制御目標値に制御するための制御信号を出力する制御装置との間に設けられ、
前記アクチュエータにおける、前記入力信号の受付け可能な時間間隔、前記入力信号の取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、前記制御信号を前記入力信号に変換して前記アクチュエータへ出力する制御信号変換装置。
【請求項２】
空間的及び時間的に離散した入力信号のみを受付け可能なアクチュエータを駆動し制御する制御装置において、
前記アクチュエータにおける、前記入力信号の受付け可能な時間間隔、前記入力信号の取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、空間的及び時間的に連続した制御信号を前記入力信号に変換して前記アクチュエータへ出力する制御信号変換部を備えること
を特徴とする制御装置。
【請求項３】
前記変換式は、
前記アクチュエータにおける入力信号の受付け可能な時間間隔以上のサンプリング周期で入力信号をサンプリングすると共にサンプリングした値を次のサンプリングタイミングまで保持するサンプルホールド部と、
前記サンプルホールド部の出力信号を該出力信号の出力値に応じた前記アクチュエータにおける入力信号の取り得る離散値の何れかに変換する第１変換部と、
前記第１変換部の出力信号を該出力信号の出力値に応じて前記アクチュエータにおける入出力特性で変換する第２変換部と、
前記サンプルホールド部の入力信号から前記第２変換部の出力信号を減算する減算部と、
当該制御信号変換部が発振しない条件で前記減算部の出力信号を濾波するローパスフィルタ部と、
前記制御信号と前記ローパスフィルタ部の出力信号とを加算して前記サンプルホールド部の入力信号とする加算部とによって表現されること
を特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項４】
前記第１変換部は、量子化器又はパルス幅変調器であること
を特徴とする請求項３に記載の制御装置。
【請求項５】
前記アクチュエータにおける入出力特性を表す関数は、非線形関数であること
を特徴とする請求項３又は請求項４に記載の制御装置。
【請求項６】
前記非線形関数は、所定範囲の入力値に対する出力値が一定である場合を含むこと
を特徴とする請求項５に記載の制御装置。
【請求項７】
ローパスフィルタ部は、ラプラス演算子をｓとした場合に（２τｓ＋１）／（（τｓ＋１）２）と表現された場合に、該τが前記サンプルホールド部のサンプリング周期よりも長いこと
を特徴とする請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載の制御装置。
【請求項８】
空間的及び時間的に離散した入力信号のみを受付け可能なアクチュエータを駆動し制御する制御方法において、
前記アクチュエータにおける、前記入力信号の受付け可能な時間間隔、前記入力信号の取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、空間的及び時間的に連続した制御信号を前記入力信号に変換する変換工程と、
前記変換工程で変換した前記入力信号を前記アクチュエータへ出力する出力工程とを備えること
を特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間的にも時間的にも離散した入力信号のみが入力可能なアクチュエータに入力すべく制御信号を変換する制御信号変換装置に関する。そして、本発明は、空間的にも時間的にも連続した制御信号に基づいて、空間的にも時間的にも離散した入力信号のみが入力可能なアクチュエータを駆動し制御目標値に制御する制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエータ（駆動装置）を備える機器は、通常、当該機器の出力値が制御目標値となるようにアクチュエータを駆動する制御装置を備えている。アクチュエータには、例えばリニアアンプやアナログ電磁弁等のように、値が連続的に変化する制御信号を入力信号として受け付けて連続値で出力するものや、例えばリレー、スイッチ、ディジタル電磁弁等のように、値が離散的に変化する制御信号を入力信号として受け付けて離散値で出力するものがある。一般に、前者のアクチュエータよりも後者のアクチュエータの方が低廉である。このため、コストの点で、後者のアクチュエータを機器に搭載することが望まれる。従って、連続値の制御信号を離散値の制御信号に変換して後者のアクチュエータへ出力する制御信号変換装置や、連続値の制御信号を離散値の制御信号に変換して後者のアクチュエータを制御する制御装置が必要とされる。
【０００３】
このような連続値の入力信号を離散値の出力信号に変換するものとして、ΣΔ変調器（ΔΣ変調器）が知られている。図７は、ΣΔ変調器の構成を示すブロック図である。図７において、ΣΔ変調器１００では、連続値の入力信号が入力端子Ｔｉｎから入力され、この入力信号は、減算器１０１を介して積分器１０２に入力され、積分器１０２で積分される。この積分器１０２の出力信号は、量子化器１０３に入力され、量子化器１０３で量子化される。この量子化器１０３の出力信号は、出力端子Ｔｏｕｔから出力され、このΣΔ変調器１００の出力信号とされると共に、遅延器１０４に入力され、所定時間遅延される。そして、遅延器１０４の出力信号は、前記減算器１０１に入力される。このような構成のΣΔ変調器は、音響機器の分野や信号処理の分野への応用が知られており、アクチュエータを制御する機械制御の分野への応用は、ほとんど為されていないが、例えば特許文献１を見出すことができる。
【０００４】
この特許文献１では、制御入力の入力幅に制約がある制御対象、および比較的大きい応答遅れやむだ時間を有する制御対象などの出力を、目標値に対して高い収束性と精度で制御することができる制御装置を提供することが目的とされている。そして、この特許文献１には、制御対象の出力と所定の目標値との偏差を算出する偏差算出手段と、Δ変調アルゴリズム、ΔΣ変調アルゴリズム及びΣΔ変調アルゴリズムのうちのいずれか１つの変調アルゴリズムに基づき、前記算出された偏差に応じて、前記制御対象の出力を前記目標値に収束されるための、前記制御対象への制御入力を算出する制御入力算出手段と、を備える制御装置が開示されている。また、特許文献１では、このような構成の制御装置が内燃機関の空燃比の制御に応用されている。
【特許文献１】特開２００３−１０８２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１では、ΣΔ変調アルゴリズムを用いて、連続値の入力信号を離散値の出力信号に変換する制御装置が開示されているが、発明者らは、様々な検討を重ねた結果、連続値の入力信号を離散値の出力信号に変換する新たな制御装置等を開発するに至った。
【０００６】
また、アクチュエータでは、入力信号に対する応答性の観点から、一の入力信号を受付けてから次の新たな入力信号が受付け可能となる時間間隔も重要である。入力信号の時間的な変化に較べて新たな入力信号の受付け可能な時間間隔が充分に短ければ問題がない。しかしながら、新たな入力信号の受付け可能な時間間隔が短いアクチュエータは、一般に、新たな入力信号の受付け可能な時間間隔が長いアクチュエータより高価である。このため、コストの点で、新たな入力信号の受付け可能な時間間隔が比較的長いアクチュエータを機器に搭載することが望まれる。
【０００７】
本発明は、この点も考慮されており、空間的及び時間的に離散した入力信号のみが入力可能なアクチュエータに入力すべく制御信号を変換する制御信号変換装置を提供することを目的とする。そして、本発明は、空間的及び時間的に連続した制御信号に基づいて、空間的及び時間的に離散した入力信号のみが入力可能なアクチュエータを駆動し制御目標値に制御する制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る一態様では、空間的及び時間的に離散した入力信号のみを受付け可能なアクチュエータと、該アクチュエータを駆動し制御目標値に制御するための制御信号を出力する制御装置との間に設けられ、前記アクチュエータにおける、前記入力信号の受付け可能な時間間隔、前記入力信号の取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、前記制御信号を前記入力信号に変換して前記アクチュエータへ出力する制御信号変換装置である。
【０００９】
そして、本発明に係る他の一態様では、空間的及び時間的に離散した入力信号のみを受付け可能なアクチュエータを駆動し制御する制御装置において、前記アクチュエータにおける、前記入力信号の受付け可能な時間間隔、前記入力信号の取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、空間的及び時間的に連続した制御信号を前記入力信号に変換して前記アクチュエータへ出力する制御信号変換部を備えることを特徴とする。
【００１０】
ここで、アクチュエータにおける空間的に離散した入力信号とは、入力信号の値の大きさが離散していることを意味する。そして、アクチュエータにおける時間的に離散した入力信号とは、アクチュエータにおける一の入力信号を受付けてから次の新たな入力信号の受付け可能となるまでの時間間隔が設けられた信号を意味する。
【００１１】
また、上述の制御装置において、前記変換式は、前記アクチュエータにおける入力信号の受付け可能な時間間隔以上のサンプリング周期で入力信号をサンプリングすると共にサンプリングした値を次のサンプリングタイミングまで保持するサンプルホールド部と、前記サンプルホールド部の出力信号を該出力信号の出力値に応じた前記アクチュエータにおける入力信号の取り得る離散値の何れかに変換する第１変換部と、前記第１変換部の出力信号を該出力信号の出力値に応じて前記アクチュエータにおける入出力特性で変換する第２変換部と、前記サンプルホールド部の入力信号から前記第２変換部の出力信号を減算する減算部と、当該制御信号変換部が発振しない条件で前記減算部の出力信号を濾波するローパスフィルタ部と、前記制御信号と前記ローパスフィルタ部の出力信号とを加算して前記サンプルホールド部の入力信号とする加算部とによって表現されることを特徴とする。
【００１２】
さらに、この上述の制御装置において、前記第１変換部は、量子化器又はＰＷＭであることを特徴とする。
【００１３】
そして、これら上述の制御装置において、前記アクチュエータにおける入出力特性を表す関数は、非線形関数であることを特徴とする。
【００１４】
また、これら上述の制御装置において、前記非線形関数は、所定範囲の入力値に対する出力値が一定である場合を含むことを特徴とする。
【００１５】
さらに、これら上述の制御装置において、ローパスフィルタ部は、ラプラス演算子をｓとした場合に（２τｓ＋１）／（（τｓ＋１）２）と表現された場合に、該τが前記サンプルホールド部のサンプリング周期よりも長いことを特徴とする。
【００１６】
そして、本発明に係る他の一態様では、空間的及び時間的に離散した入力信号のみを受付け可能なアクチュエータを駆動し制御する制御方法において、前記アクチュエータにおける、前記入力信号の受付け可能な時間間隔、前記入力信号の取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、空間的及び時間的に連続した制御信号を前記入力信号に変換する変換工程と、前記変換工程で変換した前記入力信号を前記アクチュエータへ出力する出力工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
このような構成の制御信号変換装置では、制御信号を空間的及び時間的に離散した入力信号に変換することができる。
【００１８】
そして、このような構成の制御装置及び制御方法では、空間的及び時間的に連続した制御信号に基づいて、空間的及び時間的に離散した入力信号のみが入力可能なアクチュエータを駆動し制御目標値に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
（実施形態の構成）
図１は、実施形態に係る制御系の構成を示すブロック線図である。図１（Ａ）は、フィードバック制御の場合を示し、図１（Ｂ）は、オープンループ制御の場合を示し、そして、図１（Ｃ）は、２自由度系の場合を示す。図２は、制御信号変換部（制御信号変換装置）の構成を示すブロック線図である。
【００２０】
図１（Ａ）において、制御系Ｓａは、制御装置１ａと、空間的及び時間的に離散した入力信号Ｓｄのみを受付け可能な制御対象のアクチュエータ２とを備え、フィードバック制御によって制御装置１ａがアクチュエータ２を制御する制御システムである。
【００２１】
制御装置１ａは、制御偏差部１１と、制御信号生成部１２と、制御信号変換部２０とを備えて構成される。制御偏差部１１は、制御装置１ａに予め設定されている制御目標値ｘとアクチュエータ２の出力（制御量）ｙとが入力され、制御目標値ｘから制御量ｙを減算することによって、制御目標値ｘと制御量ｙとの制御偏差ｚを生成する。そして、制御偏差部１１は、この生成した制御偏差ｚを制御信号生成部１２へ出力する。制御信号生成部１２は、この制御偏差部１１から入力された制御偏差ｚに基づいて、アクチュエータ２の出力ｙが制御目標値ｘとなるような、空間的及び時間的に連続した制御信号Ｓｓを生成する。そして、制御信号生成部１２は、この生成した制御信号Ｓｓを制御信号変換部２０へ出力する。制御信号変換部２０は、アクチュエータ２における、入力信号Ｓｄの受付け可能な時間間隔、入力信号Ｓｄの取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、制御信号生成部１２から入力された制御信号Ｓｓを入力信号Ｓｄに変換する。そして、制御信号変換部２０は、この変換した入力信号Ｓｄをアクチュエータ２へ出力する。
【００２２】
また、図１（Ｂ）において、制御系Ｓｂは、制御装置１ｂと、空間的及び時間的に離散した入力信号Ｓｄのみを受付け可能な制御対象のアクチュエータ２とを備え、例えばフィードフォワード制御やシーケンス制御等のオープンループ制御によって制御装置１ｂがアクチュエータ２を制御する制御システムである。
【００２３】
制御装置１ｂは、制御信号生成部１４と、制御信号変換部２０とを備えて構成される。制御信号生成部１４は、制御装置１ｂに予め設定されている制御目標値ｘが入力され、この制御目標値ｘに基づいて、アクチュエータ２の出力（制御量）ｙが制御目標値ｘとなるような、空間的及び時間的に連続した制御信号Ｓｓを生成する。そして、制御信号生成部１４は、この生成した制御信号Ｓｓを制御信号変換部２０へ出力する。制御信号変換部２０は、アクチュエータ２における、入力信号Ｓｄの受付け可能な時間間隔、入力信号Ｓｄの取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、制御信号生成部１４から入力された制御信号Ｓｓを入力信号Ｓｄに変換する。そして、制御信号変換部２０は、この変換した入力信号Ｓｄをアクチュエータ２へ出力する。
【００２４】
そして、図１（Ｃ）において、制御系Ｓｃは、制御装置１ｃと、空間的及び時間的に離散した入力信号Ｓｄのみを受付け可能な制御対象のアクチュエータ２とを備え、フィードバックとオープンループとを合わせた２自由度系で制御装置１ｃがアクチュエータ２を制御する制御システムである。
【００２５】
制御装置１ｃは、制御信号生成部１６と、制御信号変換部２０とを備えて構成される。制御信号生成部１６は、制御装置１ｃに予め設定されている制御目標値ｘが入力され、この制御目標値ｘとアクチュエータ２からフィードバックされた出力（制御量）ｙとに基づいて、アクチュエータ２の出力ｙが制御目標値ｘとなるような、空間的及び時間的に連続した制御信号Ｓｓを生成する。そして、制御信号生成部１６は、この生成した制御信号Ｓｓを制御信号変換部２０へ出力する。制御信号変換部２０は、アクチュエータ２における、入力信号Ｓｄの受付け可能な時間間隔、入力信号Ｓｄの取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、制御信号生成部１６から入力された制御信号Ｓｓを入力信号Ｓｄに変換する。そして、制御信号変換部２０は、この変換した入力信号Ｓｄをアクチュエータ２へ出力する。
【００２６】
このように制御信号変換部２０に入力される制御信号Ｓｓは、アクチュエータ２の出力ｙが制御目標値ｘとなるような、空間的及び時間的に連続した信号であれば、任意でよい。
【００２７】
このような制御系Ｓａの制御装置１ａ、制御系Ｓｂの制御装置１ｂ及び制御系Ｓｃの制御装置１ｃに用いられる制御信号変換部２０は、請求項の制御信号変換装置の一実施形態でもあり、図２に示すように、制御信号生成部１２からの制御信号Ｓｓが入力される入力端子Ｔｉｎと、加算部２１と、サンプルホールド部（以下、「Ｓ／Ｈ部」と略記する。）２２と、第１変換部２３と、アクチュエータ２の入力信号Ｓｄとなる制御信号が出力される出力端子Ｔｏｕｔと、第２変換部２４と、減算部２５と、ローパスフィルタ部（以下、「ＬＰＦ部」と略記する。）２６とを備えて構成される。
【００２８】
加算部２１は、入力端子Ｔｉｎからの制御信号ＳｓとＬＰＦ部２６の出力信号Ｓ６とが入力され、これら制御信号ＳｓとＬＰＦ部２６の出力信号Ｓ６とを加算することによって、これら制御信号ＳｓとＬＰＦ部２６の出力信号との和を生成する。加算部２１は、この和を加算部２１の出力信号Ｓ１としてＳ／Ｈ部２２及び減算部２５へそれぞれ出力する。
【００２９】
Ｓ／Ｈ部２２は、アクチュエータ２における入力信号Ｓｄの受付け可能な時間間隔以上のサンプリング周期で加算部２１からの出力信号Ｓ１をサンプリングすると共にサンプリングした値Ｓ２を次のサンプリングタイミングで加算部２１からの出力信号Ｓ１をサンプリングするまで保持する。そして、Ｓ／Ｈ部２２は、この保持している値Ｓ２をＳ／Ｈ部２２の出力信号Ｓ２として第１変換部２３へ出力する。即ち、Ｓ／Ｈ部２２は、一のサンプリングタイミングでサンプリングした加算部２１からの出力信号Ｓ１の値を、次のサンプリングタイミングで加算部２１からの出力信号Ｓ１をサンプリングするまで、第１変換部２３に出力し続ける。
【００３０】
ここで、Ｓ／Ｈ部２２のサンプリング周期は、アクチュエータにおける入力信号Ｓｄの受付可能な時間間隔に近いほど、理想的な制御状態に近くなり、アクチュエータにおける入力信号Ｓｄの受付け可能な時間間隔より長くなるほど、理想的な制御状態から離れる傾向がある。理想的な制御状態とは、空間的及び時間的に連続した入力信号が入力可能なアクチュエータを空間的及び時間的に連続した制御信号で制御した場合におけるアクチュエータの応答である。
【００３１】
第１変換部２３は、Ｓ／Ｈ部２２の出力信号Ｓ２を、この出力信号Ｓ２の出力値に応じたアクチュエータにおける入力信号Ｓｄの取り得る離散値の何れかに変換する。例えば、第１変換部２３は、Ｓ／Ｈ部２２の出力信号Ｓ２を、この出力信号Ｓ２の値に最も近いアクチュエータにおける入力信号Ｓｄの取り得る離散値の何れかに変換する。また例えば、第１変換部２３は、Ｓ／Ｈ部２２の出力信号Ｓ２を、この出力信号Ｓ２の値を超えない整数値であってアクチュエータにおける入力信号Ｓｄの取り得る離散値のうちの最大の値に変換する。第１変換部２３は、例えば、量子化器やパルス幅変調器（Pulse Width Modulator、以下「ＰＷＭ」と略記する。）が利用される。量子化器は、予め用意された有限個のレベルのうち該量子化器の入力信号の値に最も近いレベルを出力する。第１変換部２３が量子化器である場合では、アクチュエータにおける入力信号Ｓｄの取り得る離散値が量子化器の予め用意された有限個のレベルとされ、Ｓ／Ｈ部２２の出力信号Ｓ２は、予め用意された有限個のレベルのうちこの出力信号Ｓ２の値に最も近いレベルに量子化器によって変換される。ＰＷＭは、該ＰＷＭの入力信号の値をパルス幅に変換して出力する。第１変換部２３がＰＷＭである場合では、アクチュエータにおける入力信号Ｓｄの取り得る離散値が該離散値の符号と同符号のＰＷＭのパルス高さ（パルス振幅）とされ、Ｓ／Ｈ部２２の出力信号Ｓ２は、この出力信号Ｓ２の値に最も近いパルス幅にＰＷＭによって変換される。
【００３２】
そして、第１変換部２３は、前記変換した値を第１変換部２３の出力信号Ｓ３として第２変換部２４に出力すると共に、出力端子Ｔｏｕｔに出力する。即ち、第１変換部２３の出力信号Ｓ３は、制御信号生成部１２から制御信号変換部２０に入力された制御信号Ｓｓに対応するアクチュエータ２の入力信号Ｓｄであり、出力端子Ｔｏｕｔを介してアクチュエータ２に出力される。
【００３３】
第２変換部２４は、第１変換部２３の出力信号Ｓ３（＝Ｓｄ）をこの出力信号Ｓ３の出力値に応じてアクチュエータ２における入出力特性で変換する。そして、第２変換部２４は、この変換した値を第２変換部２４の出力信号Ｓ４として減算部２５へ出力する。
【００３４】
アクチュエータ２の入力信号Ｓｄに対する出力（制御量）ｙが関数Ｈによってｙ＝Ｈ（Ｓｄ）で表される場合には、第２変換部２４の出力信号Ｓ４は、Ｓ４＝Ｈ（Ｓ３）＝Ｈ（Ｓｄ）である。アクチュエータ２の入出力特性、即ちこの入出力特性を表す関数Ｈは、一の入力値に対し一意に出力値が決まれば、任意でよい。例えば、アクチュエータ２の入出力特性を表す関数Ｈは、線形関数（一次関数）でも非線形関数でもよい。アクチュエータ２の入出力特性を表す非線形関数は、例えば、３次関数や５次関数等の高次関数及び対数関数等が挙げられる。あるいは、アクチュエータ２の入出力特性を表す非線形関数は、所定範囲の入力値に対する出力値が一定である場合を含む関数でもよい。このように入力値が変化しても出力値が変わらない不感帯（デッドゾーン）があってもよい。
【００３５】
減算部２５は、加算部２１の出力信号Ｓ１と第２変換部２４の出力信号Ｓ４とが入力され、この加算部２１の出力信号Ｓ１から第２変換部２４の出力信号Ｓ４を減算することによって、この加算部２１の出力信号Ｓ１と第２変換部２４の出力信号Ｓ４との差を生成する。減算部２５は、この差を減算部２５の出力信号Ｓ５としてＬＰＦ部２６へ出力する。
【００３６】
ＬＰＦ部２６は、当該制御信号変換部２０が発振しない条件で減算部２５の出力信号Ｓ５を濾波する。このようなＬＰＦ部２６は、例えば、ラプラス演算子をｓとした場合に（２τｓ＋１）／（（τｓ＋１）２）と表現された場合に、このτがＳ／Ｈ部２２のサンプリング周期よりも長くなる。ＬＰＦ部２６は、この濾波した信号をＬＰＦ部２６の出力信号Ｓ６として加算部２１へ出力する。
【００３７】
次に、本実施形態の動作について説明する。
（実施形態の動作）
このような構成の制御系Ｓａでは、制御装置１ａの制御偏差部１１が制御目標値ｘから制御量ｙを減算することによって制御偏差ｚを生成し、制御信号生成部１２がこの制御偏差ｚに基づいて、アクチュエータ２の出力ｙを制御目標値ｘとすべく、空間的及び時間的に連続した制御信号Ｓｓを生成する。また、このような構成の制御系Ｓｂでは、制御装置１ｂの制御信号生成部１４が制御目標値ｘに基づいて、アクチュエータ２の出力ｙを制御目標値ｘとすべく、空間的及び時間的に連続した制御信号Ｓｓを生成する。また、このような構成の制御系Ｓｃでは、制御装置１ｃの制御信号生成部１６が制御目標値ｘとフィードバックされたアクチュエータ２の出力ｙとに基づいて、アクチュエータ２の出力ｙを制御目標値ｘとすべく、空間的及び時間的に連続した制御信号Ｓｓを生成する。そして、制御系Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃにおいて、この空間的及び時間的に連続した制御信号Ｓｓが制御信号変換部２０に入力される。制御信号変換部２０は、この空間的及び時間的に連続した制御信号Ｓｓを、空間的及び時間的に離散した入力信号Ｓｄに変換し、アクチュエータ２へ出力する。
【００３８】
即ち、制御信号変換部２０において、空間的及び時間的に連続した制御信号Ｓｓは、加算部２１でＬＰＦ部２６の出力信号Ｓ６が加算されて、加算部２１の出力信号Ｓ１になる。加算部２１の出力信号Ｓ１は、Ｓ／Ｈ部２２でサンプリング周期に対応するサンプリングタイミングでサンプリングされ、サンプリングされた値で保持される。制御信号変換部２０がＳ／Ｈ部２２を備えることで、制御信号Ｓｓが時間的に連続している一方でアクチュエータ２の入力信号Ｓｄが時間的に離散しているという、制御信号Ｓｓとアクチュエータ２の入力信号Ｓｄとにおける時間的な不適合がＳ／Ｈ部２２によって調節される。
【００３９】
Ｓ／Ｈ部２２の出力信号Ｓ２は、第１変換部２３に入力され、第１変換部２３でこの出力信号Ｓ２の出力値に応じたアクチュエータにおける入力信号Ｓｄの取り得る離散値の何れかに変換される。制御信号変換部２０が第１変換部２３を備えることで、制御信号Ｓｓが空間的に連続している一方でアクチュエータ２の入力信号Ｓｄが空間的に離散しているという、制御信号Ｓｓとアクチュエータ２の入力信号Ｓｄとにおける空間的な不適合が第１変換部２３によって調節される。
【００４０】
また、第１変換部２３の出力信号Ｓ３は、第２変換部２４に入力され、アクチュエータ２の入出力特性で変換され、減算部２５へ出力される。減算部２５は、加算部２１の出力信号Ｓ１から第２変換部２４の出力信号Ｓ４を減算する。減算部２５の出力信号Ｓ５は、ＬＰＦ部２６に入力され、濾波され、加算部２１へ出力される。第２変換部２４は、第１変換部２３の出力信号Ｓ３、即ち、アクチュエータ２の入力信号Ｓｄをアクチュエータ２の入出力特性で変換するので、第２変換部２４は、アクチュエータ２の入力信号Ｓｄに対するアクチュエータ２の出力（制御量）ｙをシミュレーション（模擬実験）していることになる。このシミュレーション結果である第２変換部２４の出力信号Ｓ４は、減算部２５でＳ／Ｈ部２２の入力信号である加算部２１の出力信号Ｓ１から減算される。即ち、減算部２５は、Ｓ／Ｈ部２２の入力信号とシミュレーション結果である第２変換部２４の出力信号Ｓ４との偏差を求めている。そして、この求めた偏差は、ＬＰＦ部２６で高周波成分が濾波され、加算部２１へ出力される。従って、第２変換部２４、減算部２５、ＬＰＦ部２６及び加算部２１によって、第１変換部２３の出力信号Ｓ３（＝Ｓｄ）に応じたアクチュエータ２の出力（制御量）ｙが、入力端子Ｔｉｎに入力される制御信号Ｓｓにフィードバックされている。このような第２変換部２４を備えることにより、制御信号変換部２０を備える制御装置１ａ、１ｂ、１ｃは、入出力特性が非線形なアクチュエータ２も制御対象とすることができる。
【００４１】
そして、第１変換部２３の出力信号Ｓ３は、出力端子Ｔｏｕｔを介してアクチュエータ２へ出力される。アクチュエータ２は、この第１変換部２３の出力信号Ｓ３を入力信号Ｓｄとして駆動し、アクチュエータ２の出力（制御量）ｙが制御目標値ｘになるように制御される。
【００４２】
このように動作することによって、制御信号変換部２０を備える制御装置１ａ、１ｂ、１ｃは、空間的及び時間的に連続した制御信号Ｓｓに基づいて、空間的及び時間的に離散した入力信号Ｓｄのみが入力可能なアクチュエータ２を制御目標値に制御することができる。
【００４３】
このため、制御信号変換部２０を備える制御装置１ａ、１ｂ、１ｃを用いることによって、アクチュエータを備える装置の当該アクチュエータとして、空間的及び時間的に離散した入力信号が入力可能な比較的低廉なアクチュエータ２を採用することができるから、この装置のコストダウンを図ることができる。特に、制御装置がＰＷＭ方式である場合に利用されるアクチュエータ２に較べて、入力に対する出力の応答が遅いアクチュエータ２を採用することができるので、コスト的に有利である。
【００４４】
また、制御信号変換部２０を備える制御装置１ａ、１ｂ、１ｃは、例えば不感帯（デッドゾーン）に代表される望ましくない非線形な入出力特性を持つアクチュエータ２も制御対象とすることができ、このような非線形な入出力特性を持つアクチュエータ２を例えばＰＷＭ方式等の通常の制御方法で制御した場合に較べて、精度よく制御目標値ｘに制御することができる。
【００４５】
さらに、図１を見ると分かるように、制御信号変換部２０は、制御信号生成部１２、１４、１６とアクチュエータ２の間に設けられている。このため、制御信号生成部１２、１４、１６からの制御信号Ｓｓでアクチュエータ２を制御している既存の制御系に対し、制御信号変換装置として制御信号変換部２０を制御信号生成部１２、１４、１６とアクチュエータ２の間に後付けで設けることができる。そして、制御信号変換部２０を後付けで設けることによって、アクチュエータ２を制御目標値ｘにより精度よく制御することができるように既存の制御系を改善することができる。
【００４６】
なお、上述のように動作する制御信号変換部２０は、様々な態様のブロック線図で表現することができる。図２に示すブロック線図は、制御信号変換部２０の一態様に過ぎない。
【００４７】
次に、一実験例について説明する。実験は、柔軟ビームのモデルを用いてシミュレーションされた。柔軟ビームの一方端にモータの回転軸が固定され、モータの電圧入力から柔軟ビームの他方端の先端変位までの伝達関数Ｐ（ｓ）は、式１である。
Ｐ（ｓ）＝（−６．４７５０ｓ２＋４．０３０２ｓ＋１７５．７７００）／（５ｓ４＋３．５６８２ｓ３＋１３９．５０２１ｓ２＋０．０９２９ｓ＋１０−６）  ・・・（式１）
【００４８】
そして、このモータがリレーによってオン／オフされる。図１に示すアクチュエータ２は、これらモータとリレーとから構成されることになる。よって、このアクチュエータ２は、リレーの動作制限から、入力信号Ｓｄの受付け可能な時間間隔が０．１秒とされ、入力信号Ｓｄの取り得る離散値が１、０、−１の３値とされる。柔軟ビームは、アクチュエータ２によって駆動される被駆動部材の一例である。
【００４９】
図３は、第１条件でＳ／Ｈ部及び第１変換部を構成した制御系Ｓａにおけるステップ応答のシミュレーション結果を示す図である。図３（Ａ）は、ビーム先端変位の応答を示し、図３（Ｂ）は、このアクチュエータ２への入力信号（制御入力）Ｓｄを示す。図３（Ａ）及び（Ｂ）の横軸は、秒単位で表す時間経過を示し、図３（Ａ）の縦軸は、ビーム先端変位を示し、そして、図３（Ｂ）の縦軸は、モータ電圧を示す。また、図３（Ａ）及び（Ｂ）において、実線ａ１、ａ２は、本発明に係る制御信号変換部２０を用いた場合のシミュレーション結果を示し、破線ｂ１、ｂ２は、理想的な場合のシミュレーション結果を示す。この理想的な場合は、前記モータ、即ち、空間的及び時間的に連続した入力信号が入力可能なモータを空間的及び時間的に連続した制御信号で制御する場合である。
【００５０】
第１条件において、Ｓ／Ｈ部２２は、サンプリング周期が０．１秒であり、第１変換部２３は、１、０、−１のうちＳ／Ｈ部２２の出力信号Ｓ２に最も近い値を出力する量子化器であり、そして、第２変換部２４は、Ｓ４＝Ｓ３である。
【００５１】
図３から分かるように、ビーム先端変位において、本発明に係る制御信号変換部２０を用いた場合のシミュレーション結果（実線ａ１）は、理想的な場合のシミュレーション結果（破線ｂ１）とほぼ一致している。アクチュエータ２の入力信号Ｓｄが空間的及び時間的に離散した値に制約されているにもかかわらず、アクチュエータ２は、理想的な場合とほぼ同様に制御されている。
【００５２】
図４は、第２条件でＳ／Ｈ部及び第１変換部を構成した制御系Ｓａにおけるステップ応答のシミュレーション結果を示す図である。図４の横軸は、秒単位で表す時間経過を示し、その縦軸は、ビーム先端変位を示す。また、図４において、実線ａ３及び一点鎖線ａ４は、本発明に係る制御信号変換部２０を用いた場合のシミュレーション結果を示し、破線ｂ３は、理想的な場合のシミュレーション結果を示し、二点鎖線ｃ１は、本発明に係る制御信号変換部２０を用いることなく、空間的及び時間的に連続した制御信号でアクチュエータ２を駆動する場合であってアクチュエータ２に不感帯がある場合のシミュレーション結果を示す。また、この図４における理想的な場合は、前記モータを空間的及び時間的に連続した制御信号で制御する場合であって、アクチュエータ２に前記不感帯がない場合である。
【００５３】
図５は、アクチュエータの入出力特性を示す図である。図５の横軸は、入力を示し、その縦軸は、出力を示す。なお、実線ａ３及び一点鎖線ａ４において、アクチュエータ２は、上述したように、空間的及び時間的に離散した入力信号のみを受付け可能であるが、図５では、入力信号が空間的に連続した信号であると仮定して、アクチュエータ２の入出力特性を表示している。
【００５４】
アクチュエータ２は、非線形な入出力特性であり、図５に示すように、入力値０を中心に±０．３の範囲で出力値が０であると共に、この範囲外では式２−１、式２−２の関係にある。従って、アクチュエータ２は、幅０．６の不感帯（デッドゾーン）を持っている。
【００５５】
入力値が正の場合では（出力値）＝（入力値）−０．３                （式２−１）
入力値が負の場合では（出力値）＝（入力値）＋０．３                （式２−２）
【００５６】
このため、第２条件において、Ｓ／Ｈ部２２は、図３と同様にサンプリング周期が０．１秒であり、第１変換部２４は、図３と同様に１、０、−１のうちＳ／Ｈ部２２の出力信号Ｓ２に最も近い値を出力する量子化器である。そして、第２変換部２４は、入出力特性が入力値０を中心に±０．３の範囲で出力値が０であると共に、この範囲外では式２−１、式２−２の関係にあるとした場合（図４の実線ａ３）、入出力特性が入力値０を中心に±０．２の範囲で出力値が０であると共に、この範囲外では式３−１、式３−２の関係にあるとした場合（図４の一点鎖線ａ４）のそれぞれに設定された。即ち、実線ａ３は、第２変換部２４がアクチュエータ２の正確な入出力特性で構成された場合を示し、一点鎖線ａ４は、第２変換部２４がアクチュエータ２の不感帯の補償の少ない不正確な入出力特性で構成された場合を示している。
【００５７】
入力値が正の場合では（出力値）＝（入力値）−０．２                （式３−１）
入力値が負の場合では（出力値）＝（入力値）＋０．２                （式３−２）
【００５８】
図４から分かるように、ビーム先端変位において、本発明に係る制御信号変換部２０を用いた場合であって、第２変換部２４がアクチュエータ２の正確な入出力特性で構成された場合のシミュレーション結果（実線ａ３）は、理想的な場合のシミュレーション結果（破線ｂ３）とほぼ一致している。アクチュエータ２の入力信号Ｓｄが空間的及び時間的に離散した値に制約され、かつ、アクチュエータの入出力特性が不感帯（デッドゾーン）のある非線形な入出力特性であるにもかかわらず、アクチュエータ２は、理想的な場合とほぼ同様に制御されている。そして、二点鎖線ｃ１で示すように、アクチュエータ２の不感帯を補償しない場合では、たとえ空間的及び時間的に連続した入力信号を用いたとしても、制御目標値ｘに制御することができないことがある。しかしながら、一点鎖線ａ４で示すように、第２変換部２４がアクチュエータ２の不感帯の補償の少ない不正確な入出力特性で構成されており、制御信号変換部２０がアクチュエータ２の不感帯を正確に補償しない場合でも、制御装置１ａは、制御の初期では理想的な場合のシミュレーション結果から解離しているが、最終的にビーム先端変位が制御目標値ｘとなるようにアクチュエータ２を制御することができる。
【００５９】
図６は、第１変換部をＰＷＭで構成した制御系Ｓａにおけるステップ応答のシミュレーション結果を示す図である。図６の横軸は、秒単位で表す時間経過を示し、その縦軸は、ビーム先端変位を示す。また、図６において、実線ａ５は、本発明に係る制御信号変換部２０を用いた場合のシミュレーション結果を示し、破線ｂ４は、理想的な場合のシミュレーション結果を示し、そして、一点鎖線ｃ２は、制御装置１ａをＰＷＭ方式で構成した場合のシミュレーション結果を示す。このＰＷＭ方式の制御装置１ａにおいて、制御信号変換部２０は、振幅が１又は−１でパルス幅が１６段階（４ビット）のパルスを出力するＰＷＭで構成され、制御信号Ｓｓに応じてこれらパルスのうちこの制御信号Ｓｓに最も近い面積を有するパルスを出力信号として出力し、この制御信号変換部２０の出力信号は、アクチュエータ２の入力信号Ｓｄとしてアクチュエータ２へ出力される。また、理想的な場合は、前記モータを空間的及び時間的に連続した制御信号で制御する場合である。
【００６０】
Ｓ／Ｈ部２２は、図３の場合と同様に、サンプリング周期が０．１秒であり、第１変換部２３は、振幅が１又は−１でパルス幅が１６段階（４ビット）のパルスを出力するＰＷＭであり、Ｓ／Ｈ部２２の出力信号Ｓ２に応じてこれらパルスのうちＳ／Ｈ部２２の出力信号の値に最も近い面積を有するパルスを出力信号として出力する。そして、第２変換部２４は、Ｓ４＝Ｓ３である。
【００６１】
図６から分かるように、ビーム先端変位において、ＰＷＭ方式の制御装置１ａでは、アクチュエータ２を制御目標値ｘに制御することができない（一点鎖線ｃ２）。しかしながら、本発明に係る制御信号変換部２０を用いた場合のシミュレーション結果（実線ａ５）は、理想的な場合のシミュレーション結果（破線ｂ４）とほぼ一致している。アクチュエータ２の入力信号Ｓｄが空間的及び時間的に離散した値に制約されているにもかかわらず、アクチュエータ２は、理想的な場合とほぼ同様に制御されている。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】実施形態に係る制御系の構成を示すブロック線図である。
【図２】制御信号変換部（制御信号変換装置）の構成を示すブロック線図である。
【図３】第１条件でＳ／Ｈ部及び第１変換部を構成した制御系Ｓａにおけるステップ応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】第２条件でＳ／Ｈ部及び第１変換部を構成した制御系Ｓａにおけるステップ応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】アクチュエータの入出力特性を示す図である。
【図６】第１変換部をＰＷＭで構成した制御系Ｓａにおけるステップ応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】ΣΔ変調器の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６３】
Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ  制御系
１ａ、１ｂ、１ｃ  制御装置
２  アクチュエータ
１１  制御偏差部
１２、１４、１６  制御信号生成部
２０  制御信号変換部
２１  加算部
２２  サンプルホールド部
２３  第１変換部
２４  第２変換部
２５  減算部
２６  ローパスフィルタ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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